DE2638704C3

DE2638704C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung niedriger aliphatischer Alkohole mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, insbesondere Äthanol, in flüssigen Gemischen

Info

Publication number: DE2638704C3
Application number: DE19762638704
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 7630 Lahr Huck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1976-08-27
Publication date: 1981-09-10
Also published as: DE2638704B2; DE2638704A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung niedriger aliphatischer Alkohole mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, insbesondere Äthanol, in flüssigen Gemischen, wie Körperflüssigkeiten oder Getränken.

Die bisher üblichen Verfahren zur Bestimmung flüchtiger Bestandteile in Flüssigkeitsgemischen werden im allgemeinen unter Abtrennung der flüchtigen Bestandteile durch Destillation oder Austreiben mittels eines Dampfes oder Gases, wie z. B. eines Trägergases bei der Gas-Chromatographie, durchgeführt. Des weiteren wird für die Bestimmung gelöster, flüchtiger Bestandteile häufig die bekannte Dampfraumanalyse (»head-space«-Technik) verwendet. Hierbei wird die zu untersuchende Probe in einem verschlossenen, kleinen, genormten Gefäß auf eine konstante Temperatur gebracht, wobei sich ein Verdarr.pfungsgleichgewicht einstellt. Anschließend wird ein Teil, meist nur ein kleiner Anteil, des gesättigten Dampfes der Bestimmung zugeführt.

Die genannten Verfahren haben den Nachteil, daß die Abtrennung der flüchtigen Substanz bzw. die Einstellung des Verdampfungsgleichgewichtes einen längeren Zeitraum und oft auch aufwendige und komplizierte Apparaturen benötigen. Dadurch wird für die Analyse ein beträchtlicher Aufwand an Zeit und Material notwendig, wodurch der praktische Wert solcher Methoden, insbesondere für Routineanalysen, oft in Frage gestellt wird. Speziell bei der Dampfraumanalyse ist die langsame Einstellung des Verdampfungsgleichgewichts, die bei zu kurzer Sättigungsdauer zu niedrige Analysenwerte ergibt, nachteilig. Außerdem wird ein Wasserbad zum Erwärmen der Proben benötigt. Ein weiterer Nachteil der Dampfraumanalyse ist, daß ein großer Überschuß an flüssiger Probe benötigt wird, da sich ihre Zusammensetzung durch die Verdampfung und Probenentnahme nicht wesentlich verändern darf.

Aus der DE-AS 14 98 946 ist ein Verfahren zum Bestimmen von Bestandteilen in einem flüssigen Gemisch bekannt, bei welchem man das Gemisch innerhalb eines abgeschlossenen Verdampfungsraumes auf einen porösen .saugfähigen Träger aufbringt, verdampft und die restlichen Bestandteile einer Analysenvorrichtung zuführt. Der Verdampfungsraum wird dabei von einem Trägergas durchströmt. Das zu bestimmende Gemisch wird durch Pyrolyse verdampft, wozu hohe Temperaturen notwendig sind

Ein ähnliches Verfahren, das bei Verdampfungstemperaturen von 40 bis 140⁰C arbeitet, ist in der GB-PS 10 58 167 beschrieben.

Nach diesen Druckschriften werden keine flüchtigen Stoffe, insbesondere nicht niedere aliphatische Alkohoie in flüssigen Gemischen, bestimmt Die Lösungsmittel werden zuerst verdampft, um dann idie verbliebenen

ίο Substanzen zu pyrolysieren. Von der Verwendung einer alkoholempfindlichen Meßelektrode ist keine Rede.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung niedriger aliphatischer Alkohole mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, insbesondere Äthanol, in flüssigen Gemischen zu schaffen, das sowohl im apparativen und vor allem auch im zeitlichen Aufwand wesentlich vereinfacht ist

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem das flüssige Gemisch innerhalb eines abgeschlossenen Verdampfungsraumes auf einem porösen, saugfähigen, dünnen Trägerstreifen aufgebracht wird, und die verdampften Alkohole durch Diffusion einer auf die Alkohole sensibilisierten Meßelektrode zugeführt werden. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem abgeschlossenen Verdampfungsraum, durch den ein poröser, saugfähiger, dünner Trägerstreifen bewegbar ist, und aus einer unmittelbar über dem Trägerstreifen angeordneten auf Alkohole sensibilisierten Meßelektrode.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß man das flüssige Gemisch, in dem ein oder mehrere niedere aliphatische Alkohole mit 1 bis 5 Kohlenstoffatome bestimmt werden sollen, mittels einer Dosiervorrichtung, wie z. B. Spritzen, Pipetten oder Kapillaren, in einem abgeschlossenen Verdampfungsraum auf einen porösen, saugfähigen, dünnen Trägerstreifen aufbringt. Der Träger kann von körniger, schwammiger oder faseriger Struktur sein. Die Dicke des Trägers muß so bemessen sein, daß sich beim Aufsaugen der Flüssigkeit ein Fleck im wesentlichen entlang der Oberfläche des Trägers ausbildet, und daß gegenüber der Flächenausdehnung die Ausbreitung in die Tiefe des Trägers vernachlässigbar ist, um dadurch eine rasche Verdampfung der Alkohole zu gewährleisten. Der Durchmesser des Flecks soll mindestens das fünffache der Dicke des Trägers betragen, vorzugsweise aber mindestens das zehnfache, besonders bevorzugt mindestens das hundertfache. Da die Verdampfungsgeschwindigkeit bei größerem Zahlenverhältnis von

so Durchmesser zu Dicke des Fleckes ansteigt, ist offensichtlich, daß ein möglichst großes Zahlenverhältnis wünschenswert ist, das nach oben hin unter anderem lediglich durch die technisch bedingte Mindestdicke des Trägers und die apparativ bedingte Ausdehnung des Trägers bedingt ist.

Als Träger eignen sich insbesondere Filter aus Filtrierpapier, Metall oder synthetischem Material, Textilstoffe oder -fäden, beispielsweise aus Wolle, Baumwolle, Leinen, Seide oder synthetischen Fasern, poröses Glas, Fritten, Glasfasergewebe oder Tonscheiben, jedoch ist die Auswahl hinsichtlich Art und Form des verwendeten Materials für die Anwendung im vorliegenden Verfahren relativ unkritisch, da es lediglich die Bedingung erfüllen muß, daß die zu

ί>5 untersuchende Flüssigkeit unter Bildung eines Fleckes mit großem Verhältnis von Oberfläche zur Dicke, aus 'em die zu bestimmenden Alkohole schnell verdampfen, sich ausbreitet. In besonderen Fällen können durch die

Wahl des Trägermaterials oder durch eine Imprägnierung des Trägers flüchtige, nicht zu bestimmende Bestandteile selektiv am Träger festgehalten werden, um ihre Verdampfung zu verhindern. So kann z. B. das Wasser wäßriger Lösungen durch einen Überschuß an wasserfreiem Natriumsulfat im Träger oder durch poröse Natriumsulfatpreßlinge als Träger gebunden werden.

Der Träger soll sich bei der Durchführung der Analyse in einem abgeschlossenen System bzw. Gefäß in befinden, so daß keine flüchtige Substanz verloren geht. Der Raumidialt dieses abgeschlossenen Gefäßes sollte aus praktischen Gründen zur Vermeidung einer übermäßigen Raumausdehnung das 10⁵fache der zu analysierenden, flüssigen Probe nicht übersteigen, r, bevorzugt das KHfache, besondert bevorzugt das IOT ache.

Unmittelbar nach dem Auftragen der Probe auf den Träger sollte der Verdampfungsraum verschlossen sein, zweckmäßigerweise durch eine sich selbsttätig schließende Eingabevorrichtung, wie z. B. aurch einen Einspritzgummi, um Substanzverluste zu vermeiden. Zum öffnen und Schließen des Verdampfungsraumes vor und nach der Probenaufgabe können auch Hähne oder Ventile eingesetzt werden. Die zu untersuchende, verdampften Alkohle werden durch Diffusion quantitativ aus dem Dampfraum entfernt und einer auf die Alkohole sensibilisierten Meßelektrode zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Bestimmung von niederen aliphatischen Alkoholen mit jo 1 bis 5 C-Atomen und bevorzugt zur Bestimmung von Äthanol. Die genannten Alkohole können in al'en flüssigen Gemischen bestimmt werden, insbesondere in Körperflüssigkeiten wie Blut, Urin, Speichel, Milch, Liquor, außerdem in alkoholischen Getränken wie Bier, Wein, Spirituosen. Bevorzugt eignet sich die Methode zur Bestimmung von Äthanol in Blut, Urin, Speichel und Liquor.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung veranschaulicht. Ein abgeschlossener Verdampfungs- bzw. Analysenraum (t), z. B. in Form einer rechteckigen oder abgerundeten Dose, enthält in der Mitte einen Trägerstreifen (2) aus porösem, saugfähigem, dünnem Material, beispielsweise aus Filtrierpapier oder Textilstoff, der über eine Ein- und Ausführvorrichtung (3), beispielsweise dicht abschließende Rollen oder Dichtungsstreifen, in den Analysenraum ein- bzw. ausgeführt werden kann, gegebenenfalls über Führungsschienen. Der Trägerstreiien (2) kann vor bzw. hinter der Ein- bzw. Ausführungsvorrichtung durch eine in der Zeichnung nicht angegebene Aufroll- bzw. Sammelvorrichtung bewegt werden. Im Abstand von etwa 0,5—50 mm, bevorzugt von 1 —10 mm und besonders von 2—3 mm vom Trägerstreifen (2) ist eine auf 5^ Alkohole sensibilisierte Meßelektrode (4) montiert, an der der zu bestimmende Alkohol quantitativ zur Carbonsäure bzw. zum Keton oxidiert wird. Alkoholsensible Meßelektroden sind aus der Literatur bekannt, siehe H. Huck: »Zeitschrift für Analytische Chemie«, bo 270(1074)266 und »Elektroanalytical Chemistry and Interfacial Elektrochemistry«, 53 (1974) 121. Die flächenförmig angeordnete Meßelektrode (4) erstreckt sich zweckmäßigerweise über den ganzen Querschnitt des Analysenraumes und ist dann auch eine seiner Begrenzungsflächen. Gegenüber dem Trägerstreifen (2) befindet sich in der Gefäßwand des Verdampfungsraumes eine Einlaßvorrichtung, z. B. ein Einspritzgummi (5), durch die mittels einer Dosiervorrichtung, z. B. einer Mikroliter-Spritze oder -Pipette die Probe eindosiert werden kann. Zur Durchführung der Alkoholbestimmung wird mit der Dosiervorrichtung die Probe auf den Trägerstreifen (2) aufgebracht. Die Proben können verdünnt oder unverdünnt sein. Bei der Aufgabe von Blut mit einer Mikroliter-Spritze oder -Pipette ist eine Verdünnung mit einem üblichen Antikoagulans zweckmäßig, z. B. mit 0,1 molarer, wäßriger Natriumcitratlösung in einem Mischungsverhältnis von Blut zur Verdünnungslösung von 10:1 bis 1:10. Innerhalb dieses Bereichs haben stärkere Verdünnungen den Vorteil der geringeren Viskosität, wodurch Verstopfungen der Dosiervorrichtungen vermieden werden. Die Probenmenge richtet sich nach der Empfindlichkeit der Meßanordnung. Beim Einsatz der oben angeführten sehr empfindlichen Meßelektroden zur Bestimmung von Alkohol in Körperflüssigkeiten, wie Blut, Urin, Speichel oder Liquor, mit einem Alkoholgehalt bis zu 5 Promille werden die angewandten Probenvolumina zweckmäßigerweise im Bereich von 1—20 Mikroliter liegen, vorzugsweise bei 5— 10 Mikroliter. Die auf den Trägerstreifen (2) aufgebrachte flüssige Probe verteilt sich im Streifen unter Ausbildung eines Fleckes, dessen Durchmesser vom Probenvolumen und der Dicke des Streifens bestimmt wird. Bei bevorzugten Aufgabenvolumina von 5—10 Mikroliter und einem Trägerstreifen von z. B. 0,1 oder 0,.2 mm Dicke beträgt der Fleckendurchmesser etwa 10—20 bzw. 5—10 mm. Die Breite des Trägerstreifens (2) soll mindestens etwa dem Fleckendurchmesser entsprechen, muß aber kleiner sein als der Durchmesser der Meßelektrode, um die Diffusion aus dem Dampfraum an die Meßelektrode nicht zu behindern. Bei den genannten empfindlichen Meßelektroden hat es sich als zweckmäßig erwiesen, Flüssigkeitsgemische einzusetzen, deren Alkoholgehalt einen Wert von 10 Promille (%o), vorzugsweise von 5 Promille nicht übersteigt Proben mit einem höheren Gehalt werden zweckmäßigerweise dementsprechend verdünnt. In dem Maße wie der Alkohol aus dem Träger verdampft, setzt er sich an der Meßelektrode (4) um. Die sich dabei einstellende Potentialänderung wird durch das Millivoltmeter (6) angezeigt. Als Meßwert gilt der maximale Ausschlag des Meßinstrumentes, der der umgesetzten Alkoholmenge proportional ist. Im allgemeinen ist der ganze Meßvorgang 20—40 see nach der Probenaufgabe abgeschlossen. Nach der Messung werden die Abdampfrückstände zusammen mit dem Träger aus dem Analysenraum entfernt. Zur Eichung des Meßinstrumentes wird dasselbe Volumen einer Eichlösung auf eine neue Zone des Filters aufgetragen und die Messung wiederholt.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei der Bestimmung niedriger aliphatischer Alkohole mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen in flüssigen Gemischen, insbesondere in Körperflüssigkeiten

a) die flüchtigen Bestandteile rasch verdampfen, da sie sich nach dem Auftragen auf einen porösen, dünnen Trägerstreifen unter Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche ausbreiten,

b) eine Verunreinigung des Analysenraumes und dadurch eine Störung der Messung vermieden wird, da die nichtflüchtigers Bestandteile nach dem Analysengang zusammen mit dem porösen Träger-Streifen entfernt werden,

c) gegenüber anderen Analysenmethoden, wie der Dampfraumanalyse, wesentlich geringere Proben-

mengen in der Größenordnung weniger Mikroliter benötigt werden, da die flüchtigen Bestandteile vollständig verdampft werden.
Die Anwendung des Verfahrens soll am Beispiel einer Alkoholbestimmung aus Blut näher erläutert werden: Einer alkoholisienen Versuchsperson wurde mittels einer Blutmischpipette einer Fingerbeere, die zuvcr durch Sublimatlösung desinfiziert worden war, unter Ansaugen Kapillarblut entnommen. Anschließend wurde im Verhältnis Blut: Verdünnunsmittel von 1:10 mit einer 3,8%igen, wäßrigen Natriumcitratlösung (0,1 molar) verdünnt und unter Schütteln der Pipette gemischt. Der Verdampfungsraum der Meßapparatur, der auch die auf Alkohol sensibilisierte Meßelektrode (siehe H. Huck: »Zeitschrift für Analytische Chemie«, 270 [1974] 266 und »Elektroanalytical Chemistry and Interfacial Elektrochemistry«, 53 [1974] 121) enthält, wurde durch eine elektrische Heizung auf eine konstante Temperatur von 40° C gebracht. Durch einen Einspritzgummi wurde mittels einer Mikroliterspritze 5 Mikroliter des verdünnten Blutes auf den Filtrierpapierstreifen des abgeschlossenen Verdampfungsraumes aufgetragen. 30 see danach zeigte das Millivoltmeter

■> eine Potentialänderung der Meßelektrode von 1,20 mV an. 5 Mikroliter einer Eichlösung mit 0,1 Promille Äthanol, hergestellt durch Auflösung von 303 mg Glycocolläthylesterhydrochlorid in 10 ml 2 η Natronlauge, wovon nach 35 min 0,2 ml mit bidest. Wasser genau

iü auf 2 ml aufgefüllt wurden (diese Lösung hat einen Alkoholgehalt von 1 Promille), wovon ein Teil ebenfalls in einer Blutmischpipette mit Natriumcitratlösung auf das zehnfache verdünnt wurde, ergaben einen Meßwert von 1,50 mV. Die Versuchsperson hatte somit einen Alkoholgehalt von 1,20/1,50 = 0,80 Promille. Eine Vergleichsbestimmung nach Widmark (siehe E. Merck: Medizinisch-chemische Untersuchungsmethoden,

10. Aufl., Verlag Chemie, 1962) ergab ebenfalls ein Alkoholgehalt von 0,80 Promille.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen niedriger aliphatischer Alkohole mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, insbesondere Äthanol, in flüssigen Gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Gemisch innerhalb eines abgeschlossenen Verdampfungsraumes auf einen porösen, saugfähigen, dünnen Trägerstreifen aufgebracht wird und daß die verdampften Alkohole durch Diffusion einer auf die Alkohle sensibilisierten Meßelektrode zugeführt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen abgeschlossenen Verdampfungsraum, durch den ein poröser, saugfähiger, dünner Trägerstreifen bewegbar ist und durch eine unmittelbar über dem Trägerstreifen angeordnete auf Alkohole sensibilisierte Meßelektrode.